新型带筋单层板搅拌摩擦焊工艺研究

2018-01-24付宁宁金文涛武美妮

金属加工(热加工) 2018年1期

■ 付宁宁，金文涛，武美妮

搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型固相连接技术，在焊接过程中不存在母材的熔化，因此可以有效避免熔焊过程中形成的气孔、裂纹等焊接缺陷；同时由于FSW焊接速度高，接头性能优良，焊接过程中不需要焊丝、气体等，所以是一种绿色、高效的焊接方法。随着轨道交通多样化的快速发展，FSW在铝合金车体制造中得到了越来越广泛的应用。

本文主要针对国内某APM项目车顶新型带筋单层板开展搅拌摩擦焊研究，通过工艺优化，使得车顶搅拌摩擦焊满足工业化生产需求。

1. 车顶结构

国内某APM项目车顶采用的是新型带筋单层板结构，材质为6005A—T6铝合金，如图1所示，该车顶结构主要由车顶边梁和车顶板7块型材组成，采用轻量化设计，可大大降低能耗。焊接接头形式采用对接结构，单面焊双面成形，焊缝设计熔深要求为5mm。

搅拌摩擦焊设备采用ESAB 5轴搅拌摩擦焊机（见图2），采用水冷搅拌头（见图3），搅拌针长4.8mm，轴肩直径20mm。

2. 焊接工艺优化

为了保证焊缝质量，分别选取不同的焊接速度、旋转速度、焊接压力进行试验，焊接参数如表1所示。

（1）焊缝宏观形貌不同焊接参数FSW焊缝形貌如图4所示。

图1 车顶结构

图2 ESAB 5轴搅拌摩擦焊机

图3 水冷搅拌头

表1 焊接参数

由图4可以看出，1#、2#、3#、5#参数均得到了表面成形良好的焊缝，4#参数焊缝表面出现了较大的表面沟槽，这是由于旋转速度过慢或焊接速度过快导致焊接热输入不够，使得焊缝金属无法得到充分的流动，而在焊缝表面形成了一种沟槽缺陷。通过增大热输入，可有效的避免沟槽缺陷的产生。

分别选取表面成形良好的焊缝接头，用砂纸打磨后放在氢氧化钠溶液中进行腐蚀，其截面形貌如图5所示。从图5可以看出，4组参数下的FSW接头焊缝成形良好，呈“漏斗状”，可明显观察到搅拌摩擦焊特有“S”线缺陷，未观察到搅拌摩擦焊接时出现的其他宏观缺陷，如隧道孔、孔洞及未焊透等缺陷。

（2）力学性能选取焊缝表面成形良好、内部无缺陷的1#、2#、3#、5#试样的焊接接头按照ISO 4136进行拉伸试验，其结果如表2所示。由表2可以看出，4组参数下的接头均满足标准要求，均达到母材的60%以上，3#参数下的接头平均抗拉强度为282MPa，达到母材的85%。

图4 不同焊接参数FSW焊缝形貌

图5 不同焊接参数下的焊缝接头截面形貌

表2 不同焊接参数下接头拉伸性能

（3）微观组织选择表面成形良好、抗拉强度最高的4#焊缝接头按照标准要求制成微观试样，分析接头微观组织形貌，如图6所示。从图6b可看出，焊核区处于焊缝中心，其大小与搅拌针尺寸接近，焊接时直接受到搅拌针强烈的机械搅拌作用，经历较高温度热循环，组织发生动态再结晶而形成细小的等轴晶。图6c和图6d分别为热机影响区前进侧和后退侧的微观组织，热机影响区受到塑性金属流动时产生的冲击力和热的双重作用，表现为畸变的组织，晶粒被拉长，前进侧的组织要比后退侧的细小。图6e和图6f分别为热影响区前进侧和后退侧的微观组织，因为热影响区距离焊缝较远，只受到焊接热作用的影响，因此这个区域的组织与母材略相似，晶粒尺寸稍变大，前进侧和后退侧的热影响区没有明显区别。